Étude de Qualité et de Stabilité des Réseaux Aéronautiques

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Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité : Génie électrique
Présentée et soutenue par
Madiha CHARRADA
le Jeudi 21 Février 2013
Titre : Étude de Qualité et de Stabilité
des Réseaux Aéronautiques Embarqués HVDC
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET)
Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE - UMR 5213 CNRS
Directeurs de Thèse
M. Hubert PIQUET
M. Nicolas ROUX
Rapporteurs
M. Farid MEIBODY-TABAR
Mme. Delphine RIU
Membres du jury
M. Farid MEIBODY-TABAR
( Professeur d'Université, GREEN, Nancy)
Mme. Delphine RIU
( Maitre de Conférence, HDR, G2Elab, Grenoble)
M. Nicolas ROUX
( Maitre de Conférence, LAPLACE, Toulouse)
M. Hubert PIQUET
( Professeur d'Université, LAPLACE, Toulouse)
M. Sylvain POIGNANT

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Résumé
Dans le contexte du concept de l’avion «plus électrique », l’électricité prend une part
croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Ainsi, de nombreuses évolutions
ont eu lieu, concernant les réseaux de bord, notamment l’architecture du réseau qui est
devenue de plus en plus complexe, intégrant de nombreux équipements de différentes
natures ; ceci entraine de multiples questions relatives à la qualité et la stabilité du réseau.
C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent d’une part à
la mise en œuvre de méthodes d’analyse de la stabilité et de la qualité du réseau
aéronautique embarqué et d’autre part à l’analyse de couplage entre plusieurs
équipements connectés sur un seul réseau.
Les études menées au cours de ces travaux reposent sur l’utilisation des expressions
analytiques représentant le comportement fréquentiel de réseaux continus. Une méthode
de calcul basée sur les lois de la physique a été développée et validée par des approches
de simulation et d’expérimentation. Par ailleurs, en absence d’un modèle analytique, nous
choisissons de déterminer l'expression littérale du modèle équivalent du réseau à partir de
l'identification des données issues de l’approche expérimentale en se basant sur des
algorithmes d'optimisation.
Ces modèles analytiques sont associés aux critères mathématiques de stabilité (Routh-
Hurwitz, MiddleBrook), et aux contraintes de qualité imposées par les standards
aéronautiques, dans le but de dimensionner les éléments de filtrage à placer entre le
réseau et l’équipement.
Le calcul des composants assurant le filtrage repose sur la recherche d’une solution
optimale : nous introduisons les algorithmes d’optimisation utilisés en première étape, et
nous proposons par la suite une formulation de la procédure de calcul des paramètres du
filtre pour une meilleure illustration des résultats intéressants pour un concepteur de
réseau. Enfin, nous clôturons ce travail par une analyse des couplages entre plusieurs
équipements connectés sur un réseau continu et nous concluons par une approche
expérimentale afin d’appuyer les résultats théoriques.
Mots-clefs
Stabilité, Qualité, Réseaux HVDC, Modèle analytique, Identification des systèmes
fréquentiels, Interactions, Dimensionnement du filtre d'entrée, Optimisation.

ii

iii
Abstract
In the concept of the "more electric" aircraft, power takes an increasing proportion in
aeronautic embedded systems. So many changes have occurred on board networks,
including the network architecture that has become more and more complex, integrating
many different types of equipment that causes quality and stability issues on the network.
In this context that this thesis is inscribed, firstly it leads to the implementation of
methods for stability and quality analyzing of the embedded network and secondly to
coupling analysis of several devices connected to a single network.
Studies conducted in this work are based on analytical expressions representing the
frequency behavior of networks. A compute based on fundamental physical laws has been
developed and validated by simulation and experimental approaches. Moreover, in the
absence of an analytical model, we choose to determine the literal expression of the
equivalent model of the network by identifying data, come from the experimental
approach, using optimization algorithms. These analytical models are associated with
mathematical criteria: Routh-Hurwitz, Middlebrook, and quality constraints imposed by
aeronautic standards, in order to size the elements of the filter cell placed between the
voltage source and the equipment to ensure the stability and quality of the entire system.
The sizing of cell parameters based on optimal search by means of optimization
algorithms in the first step, and then we propose a formulation of the calculation
procedure of the filter parameters to illustrate some interesting results for designer’s
network. Finally, we close this work with a coupling analysis of several devices
connected to a single DC bus and we conclude by an experimental approach to support
the theoretical results.
Keywords
Stability, Quality, HVDC Networks, Analytical model, Frequency Identification
system, Interaction, Sizing input filter, Optimization.